6.06 – Regolazione espressione genica
La maggior parte dei geni presenti in una cellula non sempre è espressa (i geni sono quindi soggetti a meccanismi di regolazione dell’espressione genica). Nel caso dei procarioti, un’espressione genica selettiva consente alla cellula di risparmiare materiale ed energia, sintetizzando solo quelle pro- teine che servono in determinate condizioni ambientali. Nel caso degli organismi pluricellulari, l’espressione genica selettiva consente alle cellule di svolgere funzioni specializzate.
Nei procarioti, i geni regolati in modo coordinato (cioè che codificano proteine implicate nel funzionamento di una stessa via metabolica) sono raggruppati insieme a costituire degli operoni e la maggior parte della regolazione avviene a livello di trascrizione. Gli operoni vengono infatti “spenti” o “accesi” in risposta alle condizioni ambientali mediante proteine regolatrici, codificate da geni regolatori. Si distinguono:
1. un operone inducibile, come l’operone lattosio, che normalmente è “spento” e viene indotto (“acceso”) se necessario;
2. un operone reprimibile, come l’operone triptofano, che normalmente è “acceso” e viene represso (“spento”) se necessario.
Ogni operone è controllato da un singolo promotore (sito di attacco della RNA polimerasi), po- sto a monte (prima) dell’operone stesso. L’operone contiene, inoltre, l’operatore (non confondere operone e operatore!), che è una corta sequenza di basi che funge da interruttore con- sentendo o impedendo la trascrizione, e i geni strutturali, cioè i geni che sono regolati in modo coordinato e che codificano le proteine implicate nel funzionamento di una stessa via metabolica. Un gene regolatore, non necessariamente adiacente all’operone, codifica una proteina regolatrice, detta repressore, che, legandosi all’operatore, blocca la trascrizione dell’operone stesso, mantenendo quindi “spento” il sistema, come succede normalmente nel caso degli operoni inducibili.
Per “accendere” questi operoni, cioè per consentire la trascrizione dei geni strutturali, bisogna inattivare il repressore. In altre parole, bisogna fare in modo che il repressore non blocchi più la trascrizione. Questo compito è svolto da una sostanza, detta induttore, che si lega al repressore, modificandone la forma. Il repressore, così modificato, non può più legarsi all’operatore e si ha trascrizione.
Un esempio di operone inducibile è l’operone lattosio (operone lac. Grazie alle loro ricerche sull’o- perone lac François Jacob e Jacques Monod furono insigniti del Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1965). In assenza di lattosio (un disaccaride, utilizzato come fonte di energia, che viene scisso nei due monosaccaridi che lo costituiscono, glucosio e galattosio, dall’enzima beta galattosidasi), gli enzimi implicati nella sua utilizzazione non devono essere prodotti e quindi il sistema viene mantenuto spento dal repressore. In presenza di lattosio, alla cellula sono necessari gli enzimi implicati nella sua utilizzazione, che quindi devono esser sintetizzati. Il lattosio (in realtà un suo derivato) rimuove il blocco alla trascrizione dei geni strutturali, legandosi al repressore. Il lattosio funge, quindi, da induttore. I geni strutturali vengono trascritti in blocco, formando un’unica molecola di mRNA (mRNA policistronico).
Al contrario, un operone reprimibile, come l’operone triptofano (operone trp), è normalmente acceso. La proteina repressore viene infatti sintetizzata in forma inattiva e non si può legare all’operatore. Un metabolita (di solito il prodotto finale di una via metabolica, come ad esempio, il triptofano) funge da corepressore. Il corepressore, legandosi al repressore, lo attiva e si ha quindi blocco della trascrizione dei geni strutturali. Pertanto, in assenza di triptofano, l’operone è attivo (cioè, il repressore è inattivo) e i geni che codificano gli enzimi necessari per la biosintesi del triptofano sono trascritti. In presenza di triptofano, non sono più necessari gli enzimi che lo sintetizzano. Il triptofano, quindi, agisce da corepressore e attiva il repressore, con conseguente blocco della trascrizione dell’operone. Gli operoni inducibili e reprimibili sono sotto controllo negativo (la trascrizione dell’operone viene bloccata). Alcuni operoni inducibili sono anche sotto controllo positivo (la trascrizione dell’operone viene facilitata mediante una proteina che funge da attivatore della trascrizione).
Negli eucarioti, la regolazione dell’espressione genica è più complessa a causa delle maggiori dimensioni del genoma, della sua maggiore complessità organizzativa e dell’esistenza (in quelli pluricellulari) del processo di sviluppo embrionale e di differenziamento cellulare. Tenere presente come regola generale, tutte le cellule di un organismo pluricellulare contengono gli stessi geni. Una cellula muscolare è strutturalmente e funzionalmente diversa da una cellula nervosa, non perché contiene geni diversi, ma perché esprime geni diversi. Negli eucarioti, l’espressione genica è regolata a diversi livelli. Esistono infatti sistemi per
- il controllo della trascrizione
- controllo della maturazione degli mRNA
- controllo del trasporto dell’RNA fuori dal nucleo
- controllo della traduzione
- controllo della degradazione delle proteine.
Molto recentemente è stato scoperto un nuovo meccanismo di regolazione dell’espressione genica negli eucarioti. Esso si basa sui cosiddetti microRNA (miRNA). I miRNA sono piccolissimi RNA a singolo filamento, lunghi 20-23 nucleotidi, le cui ridottissime dimensioni hanno reso per molto tempo difficile la loro identificazione. La maggior parte dei potenziali geni per miRNA non è stata infatti identificata con esperimenti in laboratorio, ma mediante analisi al com- puter di sequenze di DNA genomico, disponibili con il Progetto Genoma Umano.
Attualmente si conosce qualche centinaio di miRNA diversi, anche se il loro numero è destinato ad aumentare. La maggior parte dei miRNA è codificata, sia nelle piante che negli animali, da singoli geni nucleari, sebbene alcuni derivano da introni presenti in geni codificanti proteine. Essi sono sintetizzati soltanto in determinati momenti dello sviluppo o in determinati tessuti, dove svolgono un ruolo di regolazione. Il meccanismo d’azione dei miRNA meglio conosciuto riguarda il silenziamento dell’espressione di mRNA citoplasmatici. I miRNA causano un blocco della traduzione dell’mRNA, in quanto, avendo una sequenza nucleotidica parzialmente complementare ad un tratto dell’mRNA bersaglio, si legano ad esso, impedendo la sintesi proteica. I ruoli regolatori dei miRNA sembrano, tuttavia, essere più ampi e comprendere la soppressione della trascrizione genica (silenziamento genico). Lo studio dei miRNA e dei ruoli biologici dei singoli miRNA è uno degli argomenti di ricerca più caldi. Attualmente si sta studiando anche l’utilizzo dei miRNA come composti terapeutici per combattere malattie come ad es. le infezioni virali o il cancro.